JP7343191B2 - 液体クロマトグラフィー用スタティックミキサー - Google Patents
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Description
本発明は液体を混合するためのミキサー、特に２種類以上の液体を混合する液体クロマトグラフィー用スタティックミキサーにおける混合効率の向上に関する。
従来から、液体クロマトグラフィーなどの各種分析分野において液体を混合するためにスタティックミキサーが利用されている。このスタティックミキサーにはさまざまな種類のものがあり、その用途に合わせて多様な工夫がなされている。特に、昨今では混合する液体等の種類もさまざまであり、ミキサーとしてこれらの液体等に対応できるようにするとともに混合効率を上げるためにいろいろな工夫がなされている。
例えば特許文献１には、パイプの円柱状内部空間の横断面を２つに分割して２本の流路を形成するように捻り羽根エレメントを配置し、この捻り羽根エレメントに形成した前記２本の流路のうちの一方の流路を流れる液状体の一部がもう一方の流路へ流入するように孔を設けることで、撹拌作用をより向上させるとともに撹拌対象である液状体の適用範囲が広く、圧力損失が小さい流体撹拌装置（スタティックミキサー）に関する技術が開示されている。
また、特許文献２には、配管内部において複数個のバルブ（ボールバルブまたはバタフライバルブ）を半開状態で直列に配置し、隣接するバルブのバルブ軸心線周りの位相が異なるように設定することで、通過した液体等の乱流化を促進させて十分な混合を実現できる流体混合装置に関する技術が開示されている。
しかしながら、特許文献１に開示されている構造であれば捻り羽根エレメントの所定位置に孔を設けるという従来の液体クロマトグラフィー用スタティックミキサーの構造に簡単な工夫を加えることで撹拌作用を向上させることができるが、あくまでも従来の機構により混合するものであり、混合効率が大きく向上するとは言えない。
同様に、特許文献２のように複数個のバルブを直列配置することで乱流化を促進させて十分な混合を実現できるが、このような特有の構造であってもやはり従来の方法と同様であるため混合効率を格段に向上させることは非常に困難であり、まだまだ改良の余地がある。
本発明は上記従来技術の課題に鑑みて行われたものであって、その目的は従来のスタティックミキサーと比較して混合効率を向上させるとともに、さらに動力部を有するダイナミックミキサーと比較しても遜色のない混合効率を有する液体クロマトグラフィー用スタティックミキサーを提供することである。
上記課題を解決するために、本発明にかかる液体クロマトグラフィー用スタティックミキサーは、
２種類以上の液体が流入する液体流入口と、該液体流入口の後段に接続され前記２種類以上の液体を混合する液体混合ユニットと、該液体混合ユニットの後段に接続され混合された前記２種類以上の液体が流出する液体流出口と、を備えた液体クロマトグラフィー用スタティックミキサーであって、
前記液体混合ユニットは、内部に備える捻り螺旋棒で前記２種類以上の液体を乱流により混合する略円筒形状の細長いキャピラリーミキサーと、該キャピラリーミキサーの後段に位置し流れ込んだ前記２種類以上の液体を内部での拡散または乱流拡散により混合するミキシングチャンバーと、前記ミキシングチャンバーの出口に配置され、前記２種類以上の液体の整流効果を有する多孔質体と、を含んで構成された乱流拡散ミキサー部を有し、
前記ミキシングチャンバーは、少なくとも前記キャピラリーミキサーよりも大きい体積を有し、
さらに前記液体混合ユニットは、少なくとも２つの前記乱流拡散ミキサー部が直列に接続されていることを特徴とする。
２種類以上の液体が流入する液体流入口と、該液体流入口の後段に接続され前記２種類以上の液体を混合する液体混合ユニットと、該液体混合ユニットの後段に接続され混合された前記２種類以上の液体が流出する液体流出口と、を備えた液体クロマトグラフィー用スタティックミキサーであって、
前記液体混合ユニットは、内部に備える捻り螺旋棒で前記２種類以上の液体を乱流により混合する略円筒形状の細長いキャピラリーミキサーと、該キャピラリーミキサーの後段に位置し流れ込んだ前記２種類以上の液体を内部での拡散または乱流拡散により混合するミキシングチャンバーと、前記ミキシングチャンバーの出口に配置され、前記２種類以上の液体の整流効果を有する多孔質体と、を含んで構成された乱流拡散ミキサー部を有し、
前記ミキシングチャンバーは、少なくとも前記キャピラリーミキサーよりも大きい体積を有し、
さらに前記液体混合ユニットは、少なくとも２つの前記乱流拡散ミキサー部が直列に接続されていることを特徴とする。
また、本発明にかかる液体クロマトグラフィー用スタティックミキサーにおいて、
前記液体混合ユニットは、前記液体流入口側に位置する第１乱流拡散ミキサー部と、該第１乱流拡散ミキサー部よりも前記液体流出口側に位置する第２乱流拡散ミキサー部と、を有し、
前記第１乱流拡散ミキサー部の液体容量は前記第２乱流拡散ミキサー部の液体容量よりも大きいことを特徴とする。
前記液体混合ユニットは、前記液体流入口側に位置する第１乱流拡散ミキサー部と、該第１乱流拡散ミキサー部よりも前記液体流出口側に位置する第２乱流拡散ミキサー部と、を有し、
前記第１乱流拡散ミキサー部の液体容量は前記第２乱流拡散ミキサー部の液体容量よりも大きいことを特徴とする。
また、本発明にかかる液体クロマトグラフィー用スタティックミキサーにおいて、
前記液体混合ユニットは、前記液体流入口側に位置する第１乱流拡散ミキサー部と、該第１乱流拡散ミキサー部よりも前記液体流出口側に位置する第２乱流拡散ミキサー部と、を有し、
前記第１乱流拡散ミキサー部の液体容量は前記第２乱流拡散ミキサー部の液体容量と略同一であることを特徴とする。
前記液体混合ユニットは、前記液体流入口側に位置する第１乱流拡散ミキサー部と、該第１乱流拡散ミキサー部よりも前記液体流出口側に位置する第２乱流拡散ミキサー部と、を有し、
前記第１乱流拡散ミキサー部の液体容量は前記第２乱流拡散ミキサー部の液体容量と略同一であることを特徴とする。
また、本発明にかかる液体クロマトグラフィー用スタティックミキサーにおいて、
前記液体混合ユニットは、前記液体流入口側に位置する第１乱流拡散ミキサー部と、該第１乱流拡散ミキサー部よりも前記液体流出口側に位置する第２乱流拡散ミキサー部と、を有し、
前記第１乱流拡散ミキサー部の液体容量は前記第２乱流拡散ミキサー部の液体容量よりも小さいことを特徴とする。
前記液体混合ユニットは、前記液体流入口側に位置する第１乱流拡散ミキサー部と、該第１乱流拡散ミキサー部よりも前記液体流出口側に位置する第２乱流拡散ミキサー部と、を有し、
前記第１乱流拡散ミキサー部の液体容量は前記第２乱流拡散ミキサー部の液体容量よりも小さいことを特徴とする。
また、本発明にかかる液体クロマトグラフィー用スタティックミキサーにおいて、
前記液体混合ユニットは、前記液体流入口側に位置する第１乱流拡散ミキサー部と、該第１乱流拡散ミキサー部よりも前記液体流出口側に位置する第２乱流拡散ミキサー部と、を有し、
さらに前記液体混合ユニットは、前記第２乱流拡散ミキサー部よりも前記液体流出口側に位置する第３乱流拡散ミキサー部を備えることを特徴とする。
前記液体混合ユニットは、前記液体流入口側に位置する第１乱流拡散ミキサー部と、該第１乱流拡散ミキサー部よりも前記液体流出口側に位置する第２乱流拡散ミキサー部と、を有し、
さらに前記液体混合ユニットは、前記第２乱流拡散ミキサー部よりも前記液体流出口側に位置する第３乱流拡散ミキサー部を備えることを特徴とする。
また、本発明にかかる液体クロマトグラフィー用スタティックミキサーにおいて、
前記液体流出口はその内部に捻り螺旋板を備え、該捻り螺旋板により前記液体混合ユニットで混合された前記２種類以上の液体をさらに混合して当該液体クロマトグラフィー用スタティックミキサーの外部に前記２種類以上の液体を流出することを特徴とする。
前記液体流出口はその内部に捻り螺旋板を備え、該捻り螺旋板により前記液体混合ユニットで混合された前記２種類以上の液体をさらに混合して当該液体クロマトグラフィー用スタティックミキサーの外部に前記２種類以上の液体を流出することを特徴とする。
また、本発明にかかる液体クロマトグラフィー用スタティックミキサーは、前記液体混合ユニットにおける複数の前記乱流拡散ミキサー部の直列接続を切り替える切替バルブ機構を有し、前記切替バルブ機構の切り替え動作により前記液体混合ユニットの液体容量が可変されることを特徴とする。
また、本発明にかかる液体クロマトグラフィー用スタティックミキサーは、少なくとも２つの前記乱流拡散ミキサー部同士を配管接続することで前記液体混合ユニットの液体容量が可変されることを特徴とする。
本発明によれば、液体混合ユニットはキャピラリーミキサー（乱流による混合）とその後段に位置するミキシングチャンバー（拡散または乱流拡散による混合）とそのミキシングチャンバーの出口に配置される多孔質体（整流効果）とを備えた特徴的な乱流拡散ミキサー部を有し、少なくとも２つの乱流拡散ミキサー部が直列に接続されることで、従来よりも混合効率が大幅に向上した液体クロマトグラフィー用スタティックミキサーを提供できる効果を奏する。
１０ スタティックミキサー
１２ 液体流入口
１４ 液体混合ユニット
１６ 液体流出口
１８ 捻り螺旋板
１８ｂ 多孔質体
２０ 第１乱流拡散ミキサー部
２２ キャピラリーミキサー
２４ ミキシングチャンバー
２６ 捻り螺旋棒
３０ 第２乱流拡散ミキサー部
３２ キャピラリーミキサー
３４ ミキシングチャンバー
３６ 捻り螺旋棒
４０ 第３乱流拡散ミキサー部
５０ 切替バルブ
１２ 液体流入口
１４ 液体混合ユニット
１６ 液体流出口
１８ 捻り螺旋板
１８ｂ 多孔質体
２０ 第１乱流拡散ミキサー部
２２ キャピラリーミキサー
２４ ミキシングチャンバー
２６ 捻り螺旋棒
３０ 第２乱流拡散ミキサー部
３２ キャピラリーミキサー
３４ ミキシングチャンバー
３６ 捻り螺旋棒
４０ 第３乱流拡散ミキサー部
５０ 切替バルブ
以下、本発明のスタティックミキサーについて図面を用いて説明するが、本発明の趣旨を超えない限り何ら以下の例に限定されるものではない。
図１に本発明の実施形態に係るスタティックミキサーの概略構成図を示す。同図に示すスタティックミキサー１０は、２種類以上の液体が流入する液体流入口１２と、該液体流入口１２の後段に接続され２種類以上の液体を混合する液体混合ユニット１４と、該液体混合ユニット１４の後段に接続され混合された２種類以上の液体が流出する液体流出口１６と、を備えて構成されている。
液体流入口１２は、外部からの液体を当該スタティックミキサー１０へ流入させるために設けられている。液体流入口１２には、例えば２つ以上の液体タンクおよび液体タンクから液体流入口１２までの液体流路が接続されている（図示を省略）。液体タンクにはそれぞれ別の種類の液体が入っており、すなわち、液体流入口１２には当該スタティックミキサー１０の外部から２種類以上の液体が流入されることとなる。
液体混合ユニット１４は、液体流入口１２側に位置する第１乱流拡散ミキサー部２０と、該第１乱流拡散ミキサー部２０よりも液体流出口１６側に位置する第２乱流拡散ミキサー部３０とが直列に接続されている。本実施形態ではこの特徴的な構造を有する第１乱流拡散ミキサー部２０および第２乱流拡散ミキサー部３０を利用して２種類以上の液体が効率良く混合されることとなる。
第１乱流拡散ミキサー部２０は、内部に備える捻り螺旋棒２６で２種類以上の液体を乱流により混合するキャピラリーミキサー２２と、該キャピラリーミキサー２２の後段に位置し流れ込んだ２種類以上の液体を内部での拡散により混合するミキシングチャンバー２４と、を含んで構成されている。
キャピラリーミキサー２２は、ステンレス、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）などを含んだ略円筒形状の細長い配管（パイプ）等で構成されている。キャピラリーミキサー２２は、その内径がおよそ０．２５～３ｍｍ程度であることが好ましく、特に好ましくは０．５～２ｍｍ程度であることが好ましく、より好ましくは０．５～１ｍｍ程度であることが好適である。また、キャピラリーミキサーの長手寸法は、その内径寸法（または外径寸法）の５倍以上であることが好ましい。
本実施形態では図２のイメージ写真に示すようにキャピラリーミキサー２２の内部に捻り螺旋棒２６を有して構成されている。また、本実施形態における捻り螺旋棒２６はこのような形状に限られずキャピラリーミキサー２２内部で液体を混合できれば他の形状であっても良い。また、図１におけるキャピラリーミキサー２２は長手方向に直線の細長い形状を有しているが、例えばキャピラリーミキサー２２の長手方向において途中から曲がった曲線形状を含んでいても本発明の効果を発揮することができる。
ミキシングチャンバー２４は略円筒形状を有しており、内部には液体が流入して所定時間留まることができる空間を有している。本実施形態におけるミキシングチャンバー２４は略円筒形状であるが、例えば円錐形状、円錐形状と円筒形状を組み合わせた形状、球状など他の形状でも構わない。
また、ミキシングチャンバー２４は、少なくともキャピラリーミキサー２２よりも大きい体積を有して構成されている。ミキシングチャンバー２４は、キャピラリーミキサー２２の１．２倍以上の体積を有していることが好ましく、より好ましくはキャピラリーミキサー２２の２倍以上の体積を有していることが好ましく、さらに好ましくは５倍以上の体積を有していることが好適である。さらにミキシングチャンバー２４は、略円筒形状の細長いキャピラリーミキサー２２に対して拡幅した形状を有していることが好ましい。
図１では、キャピラリーミキサー２２とミキシングチャンバー２４は直線的に接続されているが、例えば図３に示すように、キャピラリーミキサー２２とミキシングチャンバー２４との接続部分が上方向や他の方向に曲げられている構造、すなわち当該接続部分（液体がミキシングチャンバー２４に流入する部分）が所定の角度を有する構造にすることも出来る。また、図示を省略しているがミキシングチャンバー２４から液体が流出する部分についても所定の角度を有する構造にすることが出来る。
同様に第２乱流拡散ミキサー部３０は、内部に備える捻り螺旋棒３６で２種類以上の液体を乱流により混合するキャピラリーミキサー３２と、該キャピラリーミキサー３２の後段に位置し流れ込んだ液体を内部での拡散により混合するミキシングチャンバー３４と、を含んで構成されている。
本実施形態において、第１乱流拡散ミキサー部２０および第２乱流拡散ミキサー部３０は同じ液体容量を有するものであっても良いし、あるいはそれぞれ液体容量の異なる第１乱流拡散ミキサー部２０と第２乱流拡散ミキサー部３０とを直列に接続するようにしても良い。本実施形態に係るスタティックミキサー１０では、第１乱流拡散ミキサー部２０の液体容量が第２乱流拡散ミキサー部３０の液体容量よりも大きい。また、第１乱流拡散ミキサー部２０の液体容量は第２乱流拡散ミキサー部３０の液体容量よりも小さくすることも出来る。
液体流出口１６は、液体混合ユニット１４が有する第１乱流拡散ミキサー部２０および第２乱流拡散ミキサー部３０を通過することで効率良く混合された液体を当該スタティックミキサー１０の外部に流出させるために設けられている。例えば成分分析において、液体流出口１６は、後段に接続される構成等を当該スタティックミキサー１０に接続するための接続口として利用することができる。
このように、外部からの２種類以上の液体は、液体流入口１２から流入され、液体混合ユニット１４（第１乱流拡散ミキサー部２０および第２乱流拡散ミキサー部３０）を通過して混合され、その後に液体流出口１６を経由して外部に流出される。本実施形態に係るスタティックミキサー１０は、概略以上のように構成されている。以下、本実施形態における液体の混合メカニズムについて詳しく説明する。
液体の混合について
上記説明のとおり本実施形態に係るスタティックミキサー１０は、液体混合ユニット１４で２種類以上の液体を混合している。ここでは、液体混合ユニット１４の内部における液体の流れについて説明する。まず、液体流入口１２から流入した２種類以上の液体は第１乱流拡散ミキサー部２０が有するキャピラリーミキサー２２へと到達する。
上記説明のとおり本実施形態に係るスタティックミキサー１０は、液体混合ユニット１４で２種類以上の液体を混合している。ここでは、液体混合ユニット１４の内部における液体の流れについて説明する。まず、液体流入口１２から流入した２種類以上の液体は第１乱流拡散ミキサー部２０が有するキャピラリーミキサー２２へと到達する。
本実施形態におけるキャピラリーミキサー２２は略円筒形状の細長い配管等であり、且つ、細長い配管の内部に捻り螺旋棒２６を有して構成されている。捻り螺旋棒２６は例えば螺旋状の撹拌部材を有する棒状のステンレスなどであり（図２を参照）、液体流入口１２から流入された液体がキャピラリーミキサー２２内部を通過することによる乱流作用で２種類以上の液体が混合される（１次混合と呼ぶ）。ここで、本明細書における乱流とは液体の速度や圧力などが不規則に変動する流れのことを言う。
また図１に示すように本実施形態における捻り螺旋棒２６は、キャピラリーミキサー２２内部の長手方向全体に位置しているが、例えば、長手方向の一部にのみ設けたり、あるいは短い捻り螺旋棒２６を１カ所ないし２カ所以上設けることもできる。さらに捻り螺旋棒２６はキャピラリーミキサー内部に固定されていても良いし、内部である程度捻り螺旋棒自体が動けるように設けても良い。
キャピラリーミキサー２２内部で乱流により１次混合された液体は、後段に位置するミキシングチャンバー２４へと流入される。上述のとおりミキシングチャンバー２４は、略円筒形状を有しており、内部には液体が流入して所定時間留まることができる空間を有している。
そしてキャピラリーミキサー２２内部で１次混合された液体は、ミキシングチャンバー２４内部で拡散作用ないし乱流拡散作用によりさらに混合が促進される（２次混合と呼ぶ）。本明細書における拡散とは、異なる２種類以上の液体が一様に混ざり合おうとすることを言う。また、本実施形態における乱流拡散とは、液体がキャピラリーミキサー２２からミキシングチャンバー２４へ流入されることで該液体の流速が遅くなり、すなわち、液体の流路が広がり、その中で流れの乱れが生じることで混合効果が発生することを意味する。
本実施形態における第１乱流拡散ミキサー部２０では、キャピラリーミキサー２２による乱流で２種類以上の液体を１次混合し、その後段ではミキシングチャンバー２４による拡散ないし乱流拡散でさらに液体の２次混合を行うことで、すなわち、本実施形態において液体混合ユニット１４が備える第１乱流拡散ミキサー部２０は、段階的な混合を行うことで混合効率を向上させている。
さらに本実施形態における液体混合ユニット１４は、上記第１乱流拡散ミキサー部２０の後段に第２乱流拡散ミキサー部３０が設けられている。この第２乱流拡散ミキサー部３０は、上述のとおり第１乱流拡散ミキサー部２０と同じものを利用しても良いし、あるいは異なる形状や液体容量のものを利用しても良い。また、本実施形態では第１乱流拡散ミキサー部２０と第２乱流拡散ミキサー部３０とを直接接続しているが、例えば第１乱流拡散ミキサー部２０と第２乱流拡散ミキサー部３０とを適切に接続するための液体流路等（例えば配管等）を設けることもできる。
この時、第１乱流拡散ミキサー部２０におけるミキシングチャンバー２４は、該ミキシングチャンバー２４の内部空間を利用して前段のキャピラリーミキサー２２による乱流をさらに促進する効果も期待できる。具体的には、キャピラリーミキサー２２による乱流である程度混合された液体の流れを不規則に変えてから、第２乱流拡散ミキサー部３０へと送ることができる。
このように本実施形態では第１乱流拡散ミキサー部２０で第１混合および第２混合による段階的な混合を行い、さらに後段でも第２乱流拡散ミキサー部３０を利用して段階的な混合（第１混合に相当する第３混合、および第２混合に相当する第４混合）を行うことで、混合効率を格段に向上させることができる。
さらに図４に示すように、液体流出口１６の内部に捻り螺旋板１８を備えることで、乱流による追加混合を行うことができる。すなわち、図４におけるスタティックミキサー１０では、新たな構成部材を追加することなく３段階もの段階的な混合ができるので、その結果、混合効率をさらに向上させることができる。
また、図５のように、液体流出口１６に液体の整流効果を有する多孔質体１８ｂを備えることも出来る。このような構成とすることで、当該スタティックミキサー１０から安定した混合液体をカラム等に流出させることができる。この多孔質体１８ｂは、例えば液体流出口１６の内部または、ミキシングチャンバー３４の出口（液体流出口１６側）に配置しても良い。ここで、本実施形態における多孔質体１８ｂは細孔が非常に多く空いている材料を含んで構成されている。本実施形態では、例えばモノリス構造体（共連続体）、スポンジ構造体（連続気泡構造体）、粉体の焼結体等を多孔質体１８ｂとして利用することができる。また、多孔質体１８ｂは、ＳＵＳ３１６などの金属材料やＰＥＥＫなどのポリマー材料を含んで構成することができる。
図６には、本実施形態に係るスタティックミキサーにおいて多孔質体を備えた別の構成の概略図を示す。同図に示すように例えば多孔質体１８ｂ（液体流出口１６）を第１乱流拡散ミキサー部２０および第２乱流拡散ミキサー部３０の両方に設けることで、第１乱流拡散ミキサー部２０による安定した混合液体（第１乱流拡散ミキサー部２０による混合状態）を得たうえでその後の第２乱流拡散ミキサー部３０によりさらに液体を混合させることができる。
そして、本実施形態では液体混合ユニット１４に第１乱流拡散ミキサー部２０と第２乱流拡散ミキサー部３０を備えていたが、例えば図７に示すようにさらに第３乱流拡散ミキサー部４０（第３キャピラリーミキサー４２、第３ミキシングチャンバー４４）を備えることで、混合する液体の種類や条件によってさらなる混合効率の向上が期待できる。この第３乱流拡散ミキサー部４０を備えたスタティックミキサー１０においても例えば図６に示したような特徴的な構造、すなわち多孔質体１８ｂ（または図４に示した捻り螺旋板１８）をそれぞれの乱流拡散ミキサー部（２０、３０、４０）の出口側に設けることも出来る。
変形例
図８には、本発明の実施形態に係るスタティックミキサーにおける変形例の概略構成図を示す。同図に示す変形例は基本的には図７に示したスタティックミキサー１０と同じ構成部品を有しているが、図７の構成に加えて、液体混合ユニット１４の内部において複数の乱流拡散ミキサー部（２０、３０、４０）の直列接続を切り替えるための切替バルブ５０を有して構成されている。また、図８では符号を省略してあるが、当然のことながら図１ないし図７と同様にそれぞれの乱流拡散ミキサー部はキャピラリーミキサーおよびミキシングチャンバーを有して構成されている。
図８には、本発明の実施形態に係るスタティックミキサーにおける変形例の概略構成図を示す。同図に示す変形例は基本的には図７に示したスタティックミキサー１０と同じ構成部品を有しているが、図７の構成に加えて、液体混合ユニット１４の内部において複数の乱流拡散ミキサー部（２０、３０、４０）の直列接続を切り替えるための切替バルブ５０を有して構成されている。また、図８では符号を省略してあるが、当然のことながら図１ないし図７と同様にそれぞれの乱流拡散ミキサー部はキャピラリーミキサーおよびミキシングチャンバーを有して構成されている。
図８に示すように本変形例におけるスタティックミキサー１０では、液体混合ユニット１４の内部に４個の切替バルブ５０を備えている。この切替バルブ５０は例えば自動で切り替え動作を行う自動切替バルブであっても良いし、あるいは必要に応じて手動で切り替え動作を行う手動切替バルブにすることも出来る。また、複数の乱流拡散ミキサー部（２０、３０、４０）を切り替えるために切替バルブを利用せず、例えばそれぞれの乱流拡散ミキサー部同士を配管で接続するようにしても良い。
図８では、切替バルブ５０を調整することで、第１乱流拡散ミキサー部２０と第２乱流拡散ミキサー部３０とを直列に接続するようにしている（図８では第３乱流拡散ミキサー部４０は接続されていない）。このように本実施形態に係るスタティックミキサー１０に切替バルブ５０を利用することで、成分分析などの測定条件に応じて必要な乱流拡散ミキサー部（２０、３０、４０）を適切に選択することが出来る。また、このような切替バルブ５０を有する構成であれば、分析条件に合わせて複数台のスタティックミキサーを用意することなく、１台のスタティックミキサーで広範囲の分析に対応することができる。
例えば、第１乱流拡散ミキサー部２０の液体容量を１２５μｌ、第２乱流拡散ミキサー部３０の液体容量を２４０μｌ、第３乱流拡散ミキサー部４０の液体容量を３７０μｌとした場合には、図８においては３６５μｌの液体容量を有するスタティックミキサー１０として利用することができる。
また、図９に示すように切替バルブ５０を調整して第２乱流拡散ミキサー部３０と第３乱流拡散ミキサー部４０とを直列接続することで６１０μｌの液体容量を有するスタティックミキサー１０として利用することができる。同様に、図１０に示すように切替バルブ５０を調整して第１乱流拡散ミキサー部２０と第３乱流拡散ミキサー部４０とを直列接続することで４９５μｌの液体容量を有するスタティックミキサーとして利用することができる。
さらに、図１１に示すように切替バルブ５０を調整して第１乱流拡散ミキサー部２０と第２乱流拡散ミキサー部３０と第３乱流拡散ミキサー部４０の全てを直列接続することで７３５μｌの液体容量を有するスタティックミキサーとして利用することが出来る。
以下、実施例により、本発明についてさらに具体的な説明を行うが、本発明の趣旨を超えない限り何ら以下の実施例に限定させるものではない。はじめに、直列接続による混合効率の向上について確認を行った。
乱流拡散ミキサー部の直列接続による混合効率の確認
本発明に係るスタティックミキサー１０は、第１乱流拡散ミキサー部２０と第２乱流拡散ミキサー部３０を直列に接続して利用することで、良好な混合効率が得られるものである。そこで下記条件で、本発明に係るスタティックミキサー１０の混合効率の確認を行った。
・試験方法
まず、リファレンスとしてミキサー（捻り螺旋棒２６）を有しない配管における液体の混合状態を混合ノイズ（μＶ）として測定する。次に、乱流拡散ミキサー部が１個の場合（３７０μｌ）、２個の場合（１２５μｌ＋２４０μｌ＝３６５μｌ）の各流量における混合ノイズ（μＶ）を測定した。このリファレンスに対してどれだけ混合ノイズが減少したかを低減率として表した。
・条件
溶媒Ａ ：２０ｍＭギ酸アンモニウム水溶液
溶媒Ｂ ：アセトニトリル／水（８０／２０）
Ａ／Ｂ ：２０／８０
検出波長 ：２２０ｎｍ
流量 ：０．２５、０．５、１．０ｍＬ／ｍｉｎ
背圧チューブ ：Ｉ．Ｄ．０．０６４×５００ｍｍ
ポンプ型式 ：ＰＵ－４１８５－Ｂ（日本分光株式会社製）
検出器型式 ：ＵＶ－４０７０（日本分光株式会社製）
本発明に係るスタティックミキサー１０は、第１乱流拡散ミキサー部２０と第２乱流拡散ミキサー部３０を直列に接続して利用することで、良好な混合効率が得られるものである。そこで下記条件で、本発明に係るスタティックミキサー１０の混合効率の確認を行った。
・試験方法
まず、リファレンスとしてミキサー（捻り螺旋棒２６）を有しない配管における液体の混合状態を混合ノイズ（μＶ）として測定する。次に、乱流拡散ミキサー部が１個の場合（３７０μｌ）、２個の場合（１２５μｌ＋２４０μｌ＝３６５μｌ）の各流量における混合ノイズ（μＶ）を測定した。このリファレンスに対してどれだけ混合ノイズが減少したかを低減率として表した。
・条件
溶媒Ａ ：２０ｍＭギ酸アンモニウム水溶液
溶媒Ｂ ：アセトニトリル／水（８０／２０）
Ａ／Ｂ ：２０／８０
検出波長 ：２２０ｎｍ
流量 ：０．２５、０．５、１．０ｍＬ／ｍｉｎ
背圧チューブ ：Ｉ．Ｄ．０．０６４×５００ｍｍ
ポンプ型式 ：ＰＵ－４１８５－Ｂ（日本分光株式会社製）
検出器型式 ：ＵＶ－４０７０（日本分光株式会社製）
［表１］
ミキサー液体容量 流量別ノイズの値（μＶ）
０．２５ ０．５ １．０ （ｍＬ／ｍｉｎ）
――――――――――――――――――――――――――――――――――
リファレンス ６５２１ ３５８０ １０１９
３７０μｌ ９２ ５２ ６０
低減率（％） ９８．６ ９８．５ ９４．１
２４０μｌ＋１２５μｌ ２２ ２２ ４８
低減率（％） ９９．７ ９９．４ ９５．３
ミキサー液体容量 流量別ノイズの値（μＶ）
０．２５ ０．５ １．０ （ｍＬ／ｍｉｎ）
――――――――――――――――――――――――――――――――――
リファレンス ６５２１ ３５８０ １０１９
３７０μｌ ９２ ５２ ６０
低減率（％） ９８．６ ９８．５ ９４．１
２４０μｌ＋１２５μｌ ２２ ２２ ４８
低減率（％） ９９．７ ９９．４ ９５．３
表１に示すように０．２５、０．５、１．０ｍＬ／ｍｉｎのどの流量においても乱流拡散ミキサー部が１個の場合よりも乱流拡散ミキサー部が２個の場合のほうが混合ノイズの低減率が高いのが分かる。すなわち、同じ液体混合ユニット１４の液体容量を有するスタティックミキサーであれば２個の乱流拡散ミキサー部を直列に接続して利用したほうが、混合効率が良いことが分かる。
ダイナミックミキサーとの比較について
次に、本発明に係るスタティックミキサー１０と駆動部を有するダイナミックミキサーとの混合効率の比較を行った。
・試験方法
２種類の液体でグラジエント送液を行い、ダイナミックミキサー（１．５ｍｌ）と同液体容量を有するスタティックミキサー（３個の乱流拡散ミキサー部を直列に接続）についてのベースライン変動およびノイズを測定した。
・測定条件
ダイナミックミキサー液体容量：１．５ｍｌ
スタティックミキサー液体容量：１．５６ｍｌ（５２０μｌ×３個）
移動相Ａ ：水（０．１％ＴＦＡ含有）
移動相Ｂ ：７０％アセトニトリル（０．１％ＴＦＡ含有）
流量 ：１．０ｍｌ／ｍｉｎ
検出波長 ：２２０ｎｍ、ＳＴＤレスポンス、Ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌセル
モジュール間配管：ミキサーまでＳＵＳ ０．２５ｍｍ Ｉ．Ｄ．
ミキサー以降ＰＥＥＫ ０．２５ｍｍ Ｉ．Ｄ．
・グラジエント条件
時間［ｍｉｎ］ 機能 Ｌ（Ａ）側 Ｒ（Ｂ）側
――――――――――――――――――――――――――――――
０．００ 組成比 １００％ ０％
１５．００ 組成比 ０％ １００％
２０．００ 組成比 ０％ １００％
２５．００ 組成比 １００％ ０％
３５．００ 組成比 １００％ ０％
次に、本発明に係るスタティックミキサー１０と駆動部を有するダイナミックミキサーとの混合効率の比較を行った。
・試験方法
２種類の液体でグラジエント送液を行い、ダイナミックミキサー（１．５ｍｌ）と同液体容量を有するスタティックミキサー（３個の乱流拡散ミキサー部を直列に接続）についてのベースライン変動およびノイズを測定した。
・測定条件
ダイナミックミキサー液体容量：１．５ｍｌ
スタティックミキサー液体容量：１．５６ｍｌ（５２０μｌ×３個）
移動相Ａ ：水（０．１％ＴＦＡ含有）
移動相Ｂ ：７０％アセトニトリル（０．１％ＴＦＡ含有）
流量 ：１．０ｍｌ／ｍｉｎ
検出波長 ：２２０ｎｍ、ＳＴＤレスポンス、Ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌセル
モジュール間配管：ミキサーまでＳＵＳ ０．２５ｍｍ Ｉ．Ｄ．
ミキサー以降ＰＥＥＫ ０．２５ｍｍ Ｉ．Ｄ．
・グラジエント条件
時間［ｍｉｎ］ 機能 Ｌ（Ａ）側 Ｒ（Ｂ）側
――――――――――――――――――――――――――――――
０．００ 組成比 １００％ ０％
１５．００ 組成比 ０％ １００％
２０．００ 組成比 ０％ １００％
２５．００ 組成比 １００％ ０％
３５．００ 組成比 １００％ ０％
図１２に上記グラジエント送液によるベースライン変動および混合ノイズの測定結果イメージ図を示す。同図に示すように、駆動部を有するダイナミックミキサーと本測定によるスタティックミキサーとでは５分経過時において混合ノイズ量が同等であることが分かる。これは本グラジエント送液においてスタティックミキサーはダイナミックミキサーと同等の混合効率であることを表している。
また、３０分ないし３５分経過時においてダイナミックミキサーよりもスタティックミキサーのほうがベース（測定開始時の縦軸強度０位置）に戻るまでの時間が早いのが分かる。これは、動力部を有するダイナミックミキサーと比較して本実施形態に係るスタティックミキサーのほうが溶媒の置換性が良いことを示している。このように、本実施形態におけるスタティックミキサーは、ダイナミックミキサーと同等の優れた混合効率を有していることが分かった。
以上のように本発明に係るスタティックミキサー１０は、液体混合ユニット１４がキャピラリーミキサーとその後段に位置するミキシングチャンバーを備えた特徴的な乱流拡散ミキサー部を有し、少なくとも２つの乱流拡散ミキサー部が直列に接続されることで、従来よりも混合効率を大幅に向上させることができる。
さらに、本実施形態に係るスタティックミキサー１０における変形例では、４個の切替バルブを利用して３個の乱流拡散ミキサー部（２０、３０、４０）の切替動作を行っているが、例えば、１個の切替バルブにそれぞれの乱流拡散ミキサー部を接続して液体混合ユニット１４の液体容量を切り替えられるようにしても良い。そして本実施形態では乱流拡散ミキサー部の直列接続について２個および３個の場合を説明したが、これらの個数に限られず４個以上の乱流拡散ミキサー部を直列接続しても同様の効果を得ることが期待できる。
また、本実施形態ではキャピラリーミキサーとミキシングチャンバーをそれぞれ別々の構成として説明しているが、例えばキャピラリーミキサーとミキシングチャンバーとを一体として製造することも出来る。このような構成とすることで、液体の漏れを解消し、耐圧に強い乱流拡散ミキサー部を得ることができる。その結果、混合効率が良く、耐久性の優れたスタティックミキサーを提供することができる。
そして本実施形態における変形例（図８～図１１）では、切替バルブを利用して乱流拡散ミキサー部の切替動作を行っているが、例えば、第１乱流拡散ミキサー部２０と第２乱流拡散ミキサー部３０（および第３乱流拡散ミキサー部４０）とを接続する際に、配管等の接続部材を利用してそれぞれの乱流拡散ミキサー部を任意に選択して接続する（２０、３０、４０を任意に組み合わせる）ことでスタティックミキサー１０を構成しても本発明の変形例と同様の効果を得ることが出来る。
Claims (8)
- ２種類以上の液体が流入する液体流入口と、
該液体流入口の後段に接続され前記２種類以上の液体を混合する液体混合ユニットと、
該液体混合ユニットの後段に接続され混合された前記２種類以上の液体が流出する液体流出口と、
を備えた液体クロマトグラフィー用スタティックミキサーであって、
前記液体混合ユニットは、
内部に備える捻り螺旋棒で前記２種類以上の液体を乱流により混合する略円筒形状の細長いキャピラリーミキサーと、
該キャピラリーミキサーの後段に位置し流れ込んだ前記２種類以上の液体を内部での拡散または乱流拡散により混合するミキシングチャンバーと、
前記ミキシングチャンバーの出口に配置され、前記２種類以上の液体の整流効果を有する多孔質体と、
を含んで構成された乱流拡散ミキサー部を有し、
前記ミキシングチャンバーは、少なくとも前記キャピラリーミキサーよりも大きい体積を有し、
さらに前記液体混合ユニットは、少なくとも２つの前記乱流拡散ミキサー部が直列に接続されている
ことを特徴とする液体クロマトグラフィー用スタティックミキサー。 - 請求項１に記載の液体クロマトグラフィー用スタティックミキサーであって、
前記液体混合ユニットは、
前記液体流入口側に位置する第１乱流拡散ミキサー部と、
該第１乱流拡散ミキサー部よりも前記液体流出口側に位置する第２乱流拡散ミキサー部と、を有し、
前記第１乱流拡散ミキサー部の液体容量は前記第２乱流拡散ミキサー部の液体容量よりも大きいことを特徴とする液体クロマトグラフィー用スタティックミキサー。 - 請求項１に記載の液体クロマトグラフィー用スタティックミキサーであって、
前記液体混合ユニットは、
前記液体流入口側に位置する第１乱流拡散ミキサー部と、
該第１乱流拡散ミキサー部よりも前記液体流出口側に位置する第２乱流拡散ミキサー部と、を有し、
前記第１乱流拡散ミキサー部の液体容量は前記第２乱流拡散ミキサー部の液体容量と略同一であることを特徴とする液体クロマトグラフィー用スタティックミキサー。 - 請求項１に記載の液体クロマトグラフィー用スタティックミキサーであって、
前記液体混合ユニットは、
前記液体流入口側に位置する第１乱流拡散ミキサー部と、
該第１乱流拡散ミキサー部よりも前記液体流出口側に位置する第２乱流拡散ミキサー部と、を有し、
前記第１乱流拡散ミキサー部の液体容量は前記第２乱流拡散ミキサー部の液体容量よりも小さいことを特徴とする液体クロマトグラフィー用スタティックミキサー。 - 請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の液体クロマトグラフィー用スタティックミキサーであって、
前記液体混合ユニットは、
前記液体流入口側に位置する第１乱流拡散ミキサー部と、
該第１乱流拡散ミキサー部よりも前記液体流出口側に位置する第２乱流拡散ミキサー部と、を有し、
さらに前記液体混合ユニットは、前記第２乱流拡散ミキサー部よりも前記液体流出口側に位置する第３乱流拡散ミキサー部を備える
ことを特徴とする液体クロマトグラフィー用スタティックミキサー。 - 請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の液体クロマトグラフィー用スタティックミキサーであって、
前記液体流出口はその内部に捻り螺旋板を備え、該捻り螺旋板により前記液体混合ユニットで混合された前記２種類以上の液体をさらに混合して当該液体クロマトグラフィー用スタティックミキサーの外部に前記２種類以上の液体を流出する
ことを特徴とする液体クロマトグラフィー用スタティックミキサー。 - 請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の液体クロマトグラフィー用スタティックミキサーであって、
当該液体クロマトグラフィー用スタティックミキサーは、前記液体混合ユニットにおける複数の前記乱流拡散ミキサー部の直列接続を切り替える切替バルブ機構を有し、
前記切替バルブ機構の切り替え動作により前記液体混合ユニットの液体容量が可変されることを特徴とする液体クロマトグラフィー用スタティックミキサー。 - 請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の液体クロマトグラフィー用スタティックミキサーであって、
当該液体クロマトグラフィー用スタティックミキサーは、少なくとも２つの前記乱流拡散ミキサー部同士を配管接続することで前記液体混合ユニットの液体容量が可変される
ことを特徴とする液体クロマトグラフィー用スタティックミキサー。
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